CN105115897A - 一种水体参数测量装置以及强吸收液吸收系数测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种水体参数测量装置以及基于该测量装置的强吸收液吸收系数测量方法，本发明由限位玻板和玻璃缸底壁形成待测水体间隙，通过向玻璃缸体内的水体照射平行光、并用光谱仪检测不同水深时标准板反射的透射光的辐照度，并将不同深度辐照度进行相比运算，从而得到水体消光系数以及吸收系数；采用本发明的水体参数测量装置形成的水膜的厚度稳定，改变水体厚度非常方便，可轻易获得0.04mm的稳定水膜，进而实现对更宽波段光谱的测量；同时，水膜层各部分的厚度均匀，故不会产生干涉现象，导致吸收系数的测量非常方便；同时，基于该水体参数测量装置还可以实现对水体宽波段消光系数的测量。

Description

一种水体参数测量装置以及强吸收液吸收系数测量方法

技术领域

本发明涉及水体指标测定领域，更具体地，涉及一种水体参数测量装置以及基于该测量装置的强吸收液吸收系数测量方法。

背景技术

水吸收光谱是化学、生物、大气等许多科学领域中的重要参数。由于水的超强吸收，红外光穿透一定厚度的水体后光强往往很弱，以致低于探测器所能探测到的最小值，一般的测量方法均不适用，因此红外波段水吸收系数测量甚为困难。要想获取连续的红外吸收系数光谱，同时确保结果的精度，必须要能对足够薄的水层进行测量，根据Palmer&Williams(1974)等的水红外波段光学厚度测量值，最低限度的水层厚约为0.15mm。然而，由于水的表面张力，在一般的玻璃表面上，获得低于1.5mm的薄层水都是非常困难的，为了获得薄层水，目前被普遍接受的方法是采用的一系列不同厚度的红外石英楔子，其水层的光路长度为1至50mm；另一种为贝克曼距离可调的楔子，其水层的光路长度为6mm至30μm。

但是在上述已有的方法中，石英楔子的制作工艺要求极高，花费大，且水膜的厚度的稳定性较难得到保证；同时，楔形体窗口由于顶底距离的差异，容易产生的干涉条纹而影响测量的精度。再者由于石英楔子体积和质量较小，测量起来很不方便，对光源得测量光谱仪要求很高。

水吸收系数在红外波段具有两个特点，一是吸收系数值极大；二是值的变化极大。从可见光到红外波段，水吸收系数的值跨越了5个数量级，故水吸收系数的精确测量必须要做到以下两个方面：一是要能测量极薄的水层，可测最小厚度小于0.15mm；二是对不同的波段，根据吸收系数的数值区间需要测量不同厚度的水层，以保证数值在仪器的有效测量范围内，已有的方法中并不能同时满足该两个方面的要求。

发明内容

本发明的目的其中一个目的，是提供一种水体参数测量装置，采用该测量装置使得可测量水层的厚度变化区间达到0.04-150mm，从而可以保证400nm到2500nm的波长范围内任何波段的吸收光谱都在仪器的最佳探测区间得到准确测量，为了实现以上目的，采用如下技术方案：

一种水体参数的测量装置，包括：

玻璃缸，用于盛装待测水体，所述玻璃缸包括平面底壁；

限位玻板，由垫高件垫高形成平行于玻璃缸底壁的平台，用于与玻璃缸底壁之间形成间隙，所述平面底壁及限位玻板由高透玻璃制成；

垫高件，用于垫高限位玻板并确定限位玻板与玻璃缸底壁之间间隙的宽度；

光源，设置于玻璃缸上方，用于沿竖直方向向玻璃缸内投射平行光；

标准板，设置于玻璃缸下方，用于反射平行光穿透玻璃缸后的透射光；

光谱仪，用于检测标准板所反射透射光的反辐射亮度，所述光谱仪包括光线探头，所述光线探头的探测口朝向标准板被透射光照射的区域。

作为一种具体实施例，所述光源包括探照灯及非平行光过滤单元，所述非平行光过滤单元包括两个焦平面重叠的透镜及散光滤波器。

作为一种具体实施例，所述玻璃缸与标准板之间还设置有散射光过滤单元，所述散射光过滤单元包括两个焦平面重叠的透镜及散光滤波器。

作为一种具体实施例，所述高透明玻璃为超白玻璃。

作为一种具体实施例，所述垫高件包括至少两组等高的垫片单元，每组垫片单元至少包括两片以上的垫片层叠形成。

作为一种具体实施例，所述垫片为材质为不锈钢或聚酯塑料。

作为一种具体实施例，所述垫片的厚度介于0.04mm-1mm之间。

本发明的另一个目的，是提供一种强吸收液体吸收系数测量方法，采用该方法可大幅消除如玻璃缸的反射等来自光学系统本身的影响，显著提高了测量的精度。

为了达到该目的，采用以下技术方案：

一种基于权利要求1所述水体参数的测量装置的强吸收液体吸收系数测量方法，包括以下步骤完成：

S1根据当前批次设定水深h_m选择并安放垫高件，在垫高件上放置限位玻板；

S2向玻璃缸内加入待测水体至水面高于限位玻板底面但低于限位玻板顶面的任意位置；

S3通过光源向待测水体投射平行光，所述平行光穿透玻璃缸并投射于标准板；

S4标准板反射投射其上的透射光，光谱仪的探头接收透射光经标准板反射的光线，并测量得到当前反辐射亮度L_n，反辐射亮度为：

$L_n=\frac{1}{\mathrm{\π}}{E}_0{T}_{ws}{e}^{-{\mathrm{kh}}_n}{T}_g{R}_b$ ①

其中：

E₀-入射光光源的辐照度，

T_ws-水表面透过率，

T_g-玻璃缸的透过率，

R_b-标准板的反射率；

S5通过更换垫高件改变当前批次设定水深h_n，重复步骤S2-S4，得到当前反幅射亮度L_n；

S6将步骤S2-S5中得到的任意两个批次测量的反射幅亮度L_m、L_n相除计算，得到待测水体的消光系数为：

$k=\frac{1}{(h_n-h_m)}\ln \left(\frac{L_m}{L_n}\right)$ ②，

则待测水体i吸收系数为:

α_w(λ)＝k(λ)-b_w(λ)③；

其中:

k(λ)为消光系数，

b_w(λ)为散射系数，表达式为：b_w＝0.000145λ^-4.32，λ为照射光波长。

作为一种具体实施例，所述步骤S3中，还包括对投射入玻璃缸内的光源进行非平行光过滤的步骤。

作为一种具体实施例，所述步骤S3中，还包括投射入玻璃缸内的光源进行散射光过滤的步骤。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

本发明的水体参数测量装置采用限位玻板限制限制待测水体层的顶面，所以水膜的厚度稳定；其次，只要改变垫片的厚度与数量，即可控制待测水体层的厚度，改变水体厚度非常方便；其三，通过采用极薄的薄膜作为垫片可获得极薄的水膜层，可轻易获得0.04mm的稳定水膜，进而实现对更宽波段光谱的测量；其四，水膜层各部分的厚度均匀，故不会产生干涉现象，导致吸收系数的测量非常方便；同时，基于该水体参数测量装置还可以实现对水体宽波段消光系数的测量。

本发明的强吸收液体吸收系数的测量方法，采用比值法大幅消除了玻璃缸的反射等来自光学系统本身影，显著提高了测量的精度。

附图说明

图1为水体参数测量装置的结构及测量原理示意图。

图2为采用本发明方法测量得到的400nm到2500nm波段纯水吸收系数曲线图。

图3为采用本发明方法测量得到的400nm到2500nm波段纯水吸收系数与前人研究比较示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图，对本发明做进一步说明：

参见图1，本发明所示的水体参数测量装置，包括玻璃缸4、限位玻板7、垫高件、光源1、标准板6及光谱仪5，其中：

玻璃缸4包括高透玻璃制成的平面底壁，用于盛装待测水体3，玻璃缸4平面底壁水平放置；限位玻板7，由垫片组垫高形成平行于玻璃缸底壁的平台，用于与玻璃缸底壁之间形成间隙，所述平面底壁及限位玻板7由高透玻璃制成；垫高件，用于垫高限位玻板7并确定限位玻板7与玻璃缸4底壁之间间隙的宽度；光源1，设置于玻璃缸4上方，用于沿竖直方向向玻璃缸4内投射平行光2；标准板6，也即标准反射班，设置于玻璃缸4下方，用于反射平行光2穿透玻璃缸4后的透射光2a，所述标准板6水平放置；光谱仪5，用于检测标准板6反射所述透射光2a的反辐射亮度，所述光谱仪5包括光线探头51，所述光线探头51的探测口朝向标准板6被透射光2a照射的区域。

在本实施例中，所述光源1包括探照灯11及非平行光过滤单元，所述非平行光过滤单元包括两个焦平面重叠的透镜12及散光滤波器13，散光滤波器13位于透镜12中间；所述玻璃缸4与标准板6之间还设置有散射光过滤单元，所述散射光过滤单元包括两个焦平面重叠的透镜91及散光滤波器92，所述散光滤波器92设置于透镜91中间。

为了保证限位玻板7及玻璃缸4有较高的透光度，限位玻板7及玻璃缸4底壁的高透明玻璃优选为超白玻璃(UltraClearGlass)。超白玻璃是一种超透明低铁玻璃，也称低铁玻璃、高透明玻璃，透光率可达91.5％以上，同时还具有自爆率低，颜色一致性强的特性。

为了便于更改垫高件的高度以进一步更改限位玻板7和玻璃缸4底壁之间的间隙宽度(即待测量水层的厚度)，本实施例中，所述垫高件包括至少两组等高的垫片单元，每组垫片单元至少包括两片以上的垫片8层叠形成，所述垫片8为材质为不锈钢或聚酯塑料，垫片的厚度介于0.04mm-1mm之间；在本例中，垫片优选为4种类型，其中两种是厚度分别为0.5mm和0.25mm的不锈钢片，另外两种是厚度分别为0.1mm和0.04mm的聚脂薄膜片，因此，所以能够测量的最薄水层为0.04mm，垫片整体呈长方形。

基于上述水体参数测量装置的结构和设置，一种强吸收液体吸收系数测量方法，包括以下步骤完成：

S1根据当前批次设定水深h_m选择并安放垫高件，在垫高件上放置限位玻板7；

本步骤中，在限位玻板7两端垫上类型、数量相等的若干长条形垫片8，垫片8置于在玻璃容器4的底部。

S2向玻璃缸4内加入待测水体至水面高于限位玻板7底面但低于限位玻板7顶面的任意位置；

本步骤通过向玻璃缸4中注入待测水体3，目的是使待测水体填满玻璃缸4以及限位玻板7之间的间隙，也即待测水体层，为后续步骤的光照提供介质样本，其中m为自然数，表示当前测量批次的序号。

S3通过光源1向待测水体3投射平行光2，所述平行光2穿透玻璃缸4并投射于标准板6；

本步骤中，来自探照灯11的强光经非平行光过滤单元后，非平行光被滤除，得到平行光束2。平行光束2穿过玻璃缸4时，依次经限位玻板7、待测水体3的吸收和散射，玻璃缸4底壁部分反射后穿过玻璃缸4底壁，再经散射光过滤单元滤掉散射光后到达标准板6。

S4标准板6反射投射其上的透射光2a，光谱仪5的探头51接收透射光2a经标准板6反射的光线，并测量得到当前反辐射亮度L_m：

本步骤中，透射光2a经标准板6漫反射后，其中一部分光线进入光谱仪5的探头51，则光谱仪5可以计算出透射光2a的反辐射亮度，本专利中，反辐射亮度表示为：

$L_n=\frac{1}{\mathrm{\π}}{E}_0{T}_{ws}{e}^{-{\mathrm{kh}}_n}{T}_g{R}_b$ ①

其中：

E₀-入射光光源的辐照度；

T_ws-水表面透过率；

T_g-玻璃缸的透过率；

R_b-标准板的反射率。

S5通过更换垫高件改变当前批次设定水深h_n，重复步骤S2-S4，得到当前反幅射亮度L_n；

本步骤中通过调整垫片8的组合，使得垫高件达到当前批次设定水深h_n，重复步骤S2-S4，即可测得标准板6上穿过不同厚度水层的透射光反射辐亮度L_n，其中n为自然数，表示当前测量批次的序号。

在本发明中，由于水体厚度可以轻易更改，因此可以在0.04-150mm的幅度内渐次更改待测水体的厚度，对不同的波段，根据水体吸收强度采用不同厚度的水层进行测量，核心是要让标准板6上透过待测水层后投射光2a的反射辐亮度始终处于最佳测量值域，使测值精度得到保证；以相邻厚度测量结果的无缝重叠区为界，对每个厚度的测量结果取其最佳测值区间，如此对所有测量结果进行整合，得到全波段的水吸系数光谱。表1是本实施例中对应实验水层厚度列表，

表1实验测量水层厚度(单位：mm)

S6将以上S2-S5中得到的任意两个批次测量的反射幅亮度L_m、L_n相除计算，得到待测水体的消光系数为：

$k=\frac{1}{(h_n-h_m)}\ln \left(\frac{L_m}{L_n}\right)$ ②，

则待测水体吸收系数为:

α_w(λ)＝k(λ)-b_w(λ)③；

其中:

k(λ)为消光系数，可由②式中求得。，

b_w(λ)为散射系数，表达式为：b_w＝0.000145λ^-4.32，λ为照射光波长。

由于液体散射主要与其分子和离子的粒度有关，所以其它液体的散射强度也与水分子相当。对于吸收系数极大的红外波段，散射系数远小于吸系数，通常较吸收系数小三个数量级以上，故可以忽略。即：

α_w(λ)≈k(λ)④

图2为根据步骤S6计算得到的全波段测量得到的全波段纯水吸收光谱曲线。

图3为图2所示的测量结果与国际著名测量结果的对比，其中各测量结果对应的标识如下：

SmithandBaker(◆，1981)，PopeandFry(+，1997),SogandaresandFry(●，1997),HaleandQuerry(□，1973)，KouandLabrieandChylek(×，1993),andPalmerandWilliams(△，1974)

可以看出，根据本发明得出的实验结果与国际上普遍接受的测量结果极为接近，切、且本测量结果是全波段的，而他人的测量结果多只是限于某个波段或不连续的。说明采用本发明的检测方法得到的结论准确，同时，还大大延伸了可测量光波段范围。

应该理解，以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，故凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化与修饰,均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种水体参数的测量装置，其特征在于，包括：

玻璃缸，用于盛装待测水体，所述玻璃缸包括平面底壁；

限位玻板，由垫高件垫高形成平行于玻璃缸底壁的平台，用于与玻璃缸底壁之间形成间隙，所述平面底壁及限位玻板由高透玻璃制成；

垫高件，用于垫高限位玻板并确定限位玻板与玻璃缸底壁之间间隙的宽度；

光源，设置于玻璃缸上方，用于沿竖直方向向玻璃缸内投射平行光；

标准板，设置于玻璃缸下方，用于反射平行光穿透玻璃缸后的透射光；

光谱仪，用于检测标准板所反射透射光的反辐射亮度，所述光谱仪包括光线探头，所述光线探头的探测口朝向标准板被透射光照射的区域。

2.如权利要求1所述的水体参数的测量装置，其特征在于，所述光源包括探照灯及非平行光过滤单元，所述非平行光过滤单元包括两个焦平面重叠的透镜及散光滤波器。

3.如权利要求1所述的水体参数的测量装置，其特征在于，所述玻璃缸与标准板之间还设置有散射光过滤单元，所述散射光过滤单元包括两个焦平面重叠的透镜及散光滤波器。

4.如权利要求1所述的水体参数的测量装置，其特征在于，所述高透明玻璃为超白玻璃。

5.如权利要求1所述的水体参数的测量装置，其特征在于，所述垫高件包括至少两组等高的垫片单元，每组垫片单元至少包括两片以上的垫片层叠形成。

6.如权利要求5所述的水体参数的测量装置，其特征在于，所述垫片为材质为不锈钢或聚酯塑料。

7.如权利要求5所述的水体参数的测量装置，其特征在于，所述垫片的厚度介于0.04mm-1mm之间。

8.一种基于权利要求1所述水体参数的测量装置的强吸收液体吸收系数测量方法，其特征在于，包括以下步骤完成：

S1根据当前批次设定水深h_m选择并安放垫高件，在垫高件上放置限位玻板；

S2向玻璃缸内加入待测水体至水面高于限位玻板底面但低于限位玻板顶面的任意位置；

S3通过光源向待测水体投射平行光，所述平行光穿透玻璃缸并投射于标准板；

S4标准板反射投射其上的透射光，光谱仪的探头接收透射光经标准板反射的光线，并测量得到当前反辐射亮度L_n，反辐射亮度为：

$L_n=\frac{1}{\mathrm{\π}}{E}_0{R}_{ws}{e}^{-{\mathrm{kh}}_n}{T}_g{R}_b$ ①

其中：

E₀-入射光光源的辐照度，

T_ws-水表面透过率，

T_g-玻璃缸的透过率，

R_b-标准板的反射率；

S5通过更换垫高件改变当前批次设定水深h_n，重复步骤S2-S4，得到当前反幅射亮度L_n；

S6将步骤S2-S5中得到的任意两个批次测量的反射幅亮度L_m、L_n相除计算，得到待测水体的消光系数为：

$k=\frac{1}{(h_n-h_m)}\ln \left(\frac{L_m}{L_n}\right)$ ②

则待测水体吸收系数为:

α_w(λ)＝k(λ)-b_w(λ)③

其中:

k(λ)为消光系数，

b_w(λ)为散射系数，表达式为：b_w＝0.000145λ^-4.32，λ为照射光波长。

9.如权利要求8所述的强吸收液体吸收系数测量方法，其特征在于，所述步骤S3中，还包括对投射入玻璃缸内的光源进行非平行光过滤的步骤。

10.如权利要求8所述的强吸收液体吸收系数测量方法，其特征在于，所述步骤S3中，还包括投射入玻璃缸内的光源进行散射光过滤的步骤。